原文：向量检索在闲鱼视频去重的实践 - 2018.09.07

作者：闲鱼技术

1. 背景

闲鱼是一个为二手商品交易提供服务的平台，闲鱼用户可以通过视频更全面直观的展示商品，于此同时也出现了一些视频拷贝、抄袭等不好的现象. 为了解决这个问题，我们采用了很多方案，其中一种方案是将商品视频转换成向量，尝试通过向量检索计算商品视频相似性，进而判断商品是否重复.

闲鱼视频去重本质是高维向量检索，基于闲鱼当前商品规模及业务发展的预估，闲鱼向量检索系统需支持检索亿级别平均时长为20秒，每秒向量维度是1024维的视频. 如此庞大的量级给我们的技术选型和实现带来了一定的挑战.

2. 挑战

闲鱼向量检索系统的挑战主要在几个方面：

  • 数据量大 - 闲鱼商品的视频总帧数在亿级别；
  • 单帧维度高 - 为保证向量召回的准确率，目前单帧向量维度是1024维；
  • 高精度召回 - 为保证效果，向量召回的准确率在95%以上；
  • 高性能 - 为保证用户体验，单帧单次召回耗时100ms左右，QPS在1000以上.

高维向量检索需要解决在数据维度增加之后导致检索性能急剧下降的问题. 高维向量数据的特点主要包括以下三个方面：

  • 稀疏性 - 随着维度增长，数据在空间分布的稀疏性增强；
  • 空空间现象 - 对于服从正态分布的数据集，当维数大约增加到10时，只有不到1％的数据点分布在中心附近；
  • 维度效应 - 随着维数的增加，对索引的维护效率急剧下降，并且高维空间中数据点之间的距离接近于相等.

3. 实现方案

基于上述的业务背景及挑战，我们从以下几个方面重新梳理了相关实现.

3.1. 视频向量化

向量化是指将视频数据按照一定的算法转换为向量进行表示，转换算法决定了向量表达原始视频数据的准确性.

向量化使得对视频数据的检索、去重、计算相似性等操作转化为对向量的求距离或求夹角操作.

视频向量化即在视频中抽取关键帧，对每帧视频进行特征提取，包含局部特征提取和全局特征提取.

局部特征提取包含“特征点检测”、“特征点描述”、“特征描述降维”.

全局特征提取同样包含多个步骤，我们将这些步骤封装为自定义算子，利用 Tensorflow Lite 模型将自定义算子组合起来，这样就可以动态更新算子，达到算法实时更新的目的.

将视频转化为向量之后，计算视频的相似性就相当于计算向量的相似性. 计算向量相似性有几种方式，分别为计算海明距离、夹角余弦、欧式距离和向量内积等.

3.2. 计算向量距离

3.2.1. 海明距离

严格来说，海明距离其实和向量没有太大关系，海明距离计算的是两个等长字符串对应位置字符不同的个数. 换句话说，海明距离表示将一个字符串变换成另一个字符串所需要替换的字符个数. 对于向量来说，海明距离可以看作是将一个向量变换成另一个向量所需要替换的坐标个数.

0100 和 1001 海明距离是3;

0110 和 1110 海明距离是1.

3.2.2. 向量夹角余弦

计算向量的cos夹角即在坐标系中，向量从原点出发，分别指向不同的方向，计算两个方向之间夹角. 若两个向量之间夹角越小则向量越相似.

在二维空间中，向量 A 的坐标是[x1,y1]，向量 B 的坐标是[x2,y2]. 向量A和B之间夹角余弦公式为

同样夹角余弦公式对多维向量也成立，假设想 A 和 B 的坐标分别是[A1,A2,...,An]、[B1,B2,...,Bn]，则A与B之间夹角θ余弦公式为：

夹角θ余弦越接近 1 表示夹角越接近0度，即两个向量越相似，这就是通过计算向量夹角来确定向量相似性的方法.

3.2.3. 向量欧式距离

向量欧式距离即向量顶点之间的距离，在N维空间中两点x1和x2之间的距离公式：

欧式距离越小表示向量的顶点之间越近，即向量之间更相似.

3.2.4. 向量内积

通过公式可以发现向量内积与向量夹角余弦的含义类似，内积与夹角余弦成正比，内积越大，夹角余弦越大，夹角越小.

不同的距离计算公式反应的是向量不同维度的特征，需要根据向量生成算法选择距离计算公式. 我们对上面几种公式进行了召回率测试，测试结果(计算公式与召回率关系)见下表.

3.3. 向量检索

对于向量检索来说，通常有三类方法：基于树的方法、hash方法、矢量量化方法，每种方法都有各自的适用范围.

3.3.1. 基于树的方法

KD树是其下的经典算法. 一般而言，在空间维度比较低时，KD树的查找性能还是比较高效的；但当向量维度较高时，该方法会退化为暴力枚举，性能比较差，这时一般会采用下面的哈希方法或者矢量量化方法.

图：一个三维k-d树. 第一次划分(红色)把根节点(白色)划分成两个节点，然后它们分别再次被划分(绿色)为两个子节点. 最后这四个子节点的每一个都被划分(蓝色)为两个子节点. 因为没有更进一步的划分，最后得到的八个节点称为叶子节点.

3.3.2. hash方法

LSH(Locality-Sensitive Hashing)是hash方法的代表算法. 它是用hash的方法把数据从原空间哈希到一个新的空间中，使得在原始空间的相似的数据，在新的空间中也相似的概率很大，而在原始空间的不相似的数据，在新的空间中相似的概率很小.

对于小数据集和中规模的数据集(几个million - 几十个million)，基于LSH的方法的效果和性能都很不错. 这方面有2个开源工具FALCONN和NMSLIB.

3.3.3. 矢量量化方法

矢量量化方法，即 vector quantization. 矢量量化常用于数据压缩，是将一个向量空间中的点用其中的一个有限子集来进行编码的过程. 并用聚类后的中心点的标签替代该簇中其他点的标签，以此达到缩小子集大小，压缩数据的目的.

所以矢量量化方法天生就适合做大数据集处理，在本次项目中我们也使用矢量量化方法处理闲鱼商品视频的超大数据集，缩小检索规模，在保持较高检索准确率的同时大幅度提高检索性能.

在矢量量化编码中，关键是码本的建立和码字搜索算法. 比如常见的层次聚类算法，就是一种矢量量化方法. 而在相似搜索中，向量量化方法又以PQ方法最为典型.

3.3.3.1. 层次聚类算法(HC)

层次聚类(Hierarchical Clustering)是聚类算法的一种，通过计算不同类别数据点间的相似度来创建一棵有层次的嵌套聚类树. 在聚类树中，不同类别的原始数据点是树的最低层，树的顶层是一个聚类的根节点.

在超大数据规模，同时要求高准确率情况下，可以通过多层聚类的方法，通过中心点来表示候选集，从而降低触达候选集的计算量. 在保证结果的同时，大幅加快计算速度.

3.3.3.2. 乘积量化算法(PQ)

乘积量化即 Product Quantization，这里的乘积是指笛卡尔积(Cartesian product)，意思是指把原来的向量空间分解为若干个低维向量空间的笛卡尔积，并对分解得到的低维向量空间分别做量化(quantization). 这样每个向量就能由多个低维空间的量化code组合表示.

PQ是一种量化(quantization)方法，本质上是数据的一种压缩表达方法，所以该方法除了可以用在相似搜索外，还可以用于模型压缩，特别是深度神经网络的模型压缩上.

PQ 算法可以理解为是对 vector quantization 做了一次分治，首先把原始的向量空间分解为m个低维向量空间的笛卡尔积，并对分解得到的低维向量空间分别做量化，那如何对低维向量空间做量化呢？恰巧又正是用kmeans算法. 所以换句话描述就是，把原始D维向量(比如D=128)分成m组(比如m=4)，每组就是:

$$ D^* = D / m 维的子向量 $$

如：

$$ D^* = D/m = 128/4 = 32 $$

各自用kmeans算法学习到一个码本，然后这些码本的笛卡尔积就是原始 D 维向量对应的码本.

用 $q_j$ 表示第 j 组子向量，用 $C_j$ 表示其对应学习得到的码本，那么原始 D 维向量对应的码本就是：

$$ C = C_1 \times C_2 \times ... \times C_m $$

用 $k^*$ 表示子向量的聚类中心点数或者说是码本的大小，那么原始 D 维向量对应的聚类中心点数或者说是码本大小就是 $k = (k^*)m$.

可以看出，m=1 或者 m=D 是 PQ 算法的 2 种极端情况. 当 m=1 时，PQ 算法就回退到v ector quantization; 当 m=D 时，PQ算法相当于对原始向量的每一维都用kmeans算出码本.

如上图所示，PQ 算法作者在一些数据集上调试 $k^*$ 和 m. 综合考虑向量的编码长度和平方误差，最后得到一个结论，或者说是默认配置，$k^*=256$ 和 m=8. 基于此默认配置，相当于用 $m \times log_2 k^* = 8 \times log_2 256 = 64 bits = 8 bytes$ 来表示一个原始向量.

图2. 默认配置下对128维的原始数据用PQ算法的示意图

根据上面的介绍，我们主要对矢量量化方法进行测试，对引擎支持的 HC 和 PQ 算法进行测试:

  • 测试向量规模：760w
  • 维度：65
  • 距离计算方法: 内积
  • 向量类型：float

测试结果如下：

从测试结果来看，HC 算法的召回率和延时比 PQ算法要好一些，但因为闲鱼视频是高维度的向量数据集，PQ算法的表现更稳定，所以我们最终选用的是PQ算法实现向量检索.

3.4. 项目架构

上面说的是本次项目应用到的算法知识，这一章节主要阐述项目整体架构.

3.4.1. 应用架构

应用架构分为几个部分：

3.4.1.1. 客户端

闲鱼客户端在TensorFlow Lite的基础上定制开发了算法容器，实现在端上将视频提取关键帧，对单帧视频进行视频特征计算；根据在端上计算的特征，在云上检索视频向量库，检索相似向量，最后计算出相似视频.

3.4.1.2. 微服务集群

后端封装通用向量统一接入层，屏蔽底层对接不同向量检索引擎对上层的影响，并且预留扩展点，为后续接入图片向量和商品向量打下基础.

后端接收到视频向量后调用底层向量检索引擎召回相似结果，并根据商品状态过滤、重新计算视频相似分；后端会将视频向量数据保存到日志中，由日志监听同步系统将向量数据同步到离线数据中心.

3.4.1.3. 日志监听同步系统

日志监听同步系统会实时监听指定日志文件变化，并根据指定格式解析日志数据，将解析后的数据同步到离线数据中心.

3.4.1.4. 离线数据中心

离线数据中心每15分钟生成一个实时增量视频向量数据的分区，每天会对昨日全量数据和当日增量数据做合并，再将合并后的当日全量数据回流到向量检索引擎，构建当日全量数据的索引.

3.4.1.5. 向量检索引擎

我们本次使用的向量检索引擎是阿里内部自研的BE，BE是阿里推荐系统负责在线召回的引擎，向量召回是BE最新集成的召回策略，融合了搜索从离线到在线的全链路技术体系，并依托强大的管控系统，实现了从开发、上线到运维的全生命周期管理.

BE从逻辑上来说，主要负责从多种类型的索引表中召回数据并关联具体的业务信息进行过滤和粗排. 其中filter和sorter是算法插件，可以灵活配置在检索流程的各个环节，具体的过滤和排序逻辑由算法同学根据业务场景进行编写，同时BE也内置了大量的通用组件. BE引擎维护向量数据索引，对外提供向量检索服务，并且会定时从离线数据中心同步向量数据构建索引.

BE引擎深度集成开源的KNN库–FAISS，改造定制使其支持向量索引的分布式构建和查询，实现多种基于量化的方法如粗量化、积量化以及粗量化 + 积量化的组合等方法，并且在线查询的延时、索引构建的性能都很优秀.

3.4.2. 上线效果

通过向量检索方法进行视频去重，通过定制计算向量算法、适配向量内积计算方法和PQ算法优化等方式，上线之后，经过闲鱼线上超大商品视频数据集验证之后，整个系统QPS在1000以上，召回延时在毫秒级别，视频去重整体延时在100毫秒左右；视频召回率最终稳定在95%以上.

4. 总结

本文主要介绍闲鱼如何使用向量检索方法实现视频去重业务，描述了视频去重的业务背景、向量检索涉及的相关算法及视频去重的应用架构，希望给各位读者带来一些思考和启发. 项目一期首先实现了在闲鱼视频上的去重能力，我们会继续将去重、搜索能力应用到商品图片甚至是商品本身，后续会继续和大家分享，敬请期待.

5. 参考资料

Last modification：December 29th, 2020 at 02:37 pm
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